Aplicação de redes de Petri interpretadas na modelagem de sistemas de elevadores...

(1)

GLADYS DEIFAN BASTIDAS GUSTIN

APLICAÇÃO DE REDES DE PETRI INTERPRETADAS

NA MODELAGEM DE SISTEMAS DE ELEVADORES EM

EDIFÍCIOS INTELIGENTES

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia.

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GLADYS DEIFAN BASTIDAS GUSTIN

APLICAÇÃO DE REDES DE PETRI INTERPRETADAS

NA MODELAGEM DE SISTEMAS DE ELEVADORES EM

EDIFÍCIOS INTELIGENTES

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Engenharia Mecânica/ Mecatrônica

Orientador: Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi

(3)

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ENGENHARIA MECÂNICA/NAVAL DA ESCOLA POLITÉCNICA EPMN - USP

Bastidas Gustin, Gladys Deifan

Aplicação de Redes de Petri Interpretadas na Modelagem de Sistemas de Elevadores em Edifícios Inteligentes, São Paulo, 1999.

164p.

Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecânica.

1. Sistemas de Elevadores 2. Edifícios Inteligentes 3. Redes de Petri 4. Metodologia PFS/MFG .

(4)

(5)

A

GRADECIMENTOS

Expresso minha gratidão que não conhece limites:

A Deus e a Nossa Senhora.

Ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Eigi Miyagi, pelas diretrizes seguras, orientação, supervisão, confiança, paciência e oportunidade que concedeu-me para o desenvolvimento desta pesquisa e por todo o apoio prestado durante estes anos.

Ao Prof. Dr. Diolino Dos Santos Filho, pela colaboração, apoio, sugestões e discussões

levantadas ao longo do período de pesquisa as quais foram fundamentais na elaboração e consolidação do trabalho.

Ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico), pelo apoio

financeiro deste trabalho.

Ao pessoal do HC–FMUSP, pela colaboração para a realização desta pesquisa.

Aos meus professores, a todos os membros do grupo SED – SH e aos meus amigos da sala MC – 1 que com sua ajuda, sugestões e estímulo tornaram possível este trabalho.

A todos meus amigos e familiares, pela sua ajuda, apoio e carinho.

Agradeço em especial a Pablo, que esteve do meu lado em todos os momentos com carinho, amor, compreensão e incentivo.

(6)

S

UMÁRIO

Lista de Figuras

Lista de Tabelas Lista de Abreviaturas Resumo

Abstract

CAPÍTULO 1 1

INTRODUÇÃO 1

1.1. JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÕES 1

1.2. OBJETIVO 5

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO 5

CAPÍTULO 2 8

EDIFÍCIOS INTELIGENTES E SISTEMAS DE ELEVADORES 8

2.1. EDIFÍCIOS INTELIGENTES 8

2.1.1. DEFINIÇÃO 9

2.1.2. OBJETIVOS E CARACTERÍSTICAS 11

2.1.3. INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS EM EDIFÍCIOS INTELIGENTES 13

2.2. SISTEMAS DE ELEVADORES 17

2.2.1. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA 18

2.2.2. CONTROLE DO SISTEMA DE ELEVADORES 20

2.2.3. INTEGRAÇÃO DO SISTEMA DE ELEVADORES EM EDIFÍCIOS INTELIGENTES 25

2.2.4. CARATERIZAÇÃO DO SISTEMA DE ELEVADORES 28

2.3. OBSERVAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO 29

CAPÍTULO 3 30

APLICAÇÃO DE REDE DE PETRI 30

3.1. REDE DE PETRI 31

3.1.1. CARACTERÍSTICAS E VANTAGENS DAS REDES DE PETRI 32

(7)

CAPÍTULO 4 60

METODOLOGIA DE MODELAGEM DE SISTEMAS DE ELEVADORES 60

4.1. METODOLOGIA PROPOSTA 60

CAPÍTULO 5 69

ESTUDO DE CASO 69

5.1. PRÉDIO DOS AMBULATÓRIOS (PAMB) 69

5.1.1. Aplicação da Metodologia Proposta ao Sistema de Elevadores do PAMB 71

5.2. OBSERVAÇÕES FINAIS DO CAPÍTULO 132

CAPÍTULO 6 133

COMENTÁRIOS FINAIS E CONCLUSÕES 133

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 136

APÊNDICE I I. 1

(8)

L

ISTA DE

F

IGURAS

Figura 2.1 Estrutura hierárquica de integração em edifícios inteligentes. ...16

Figura 2.2 Elementos básicos envolvidos na operação do sistema de elevadores...19

Figura 2.3 Diagrama conceitual básico do sistema de controle de SED...20

Figura 2.4 Configuração do sistema de controle de grupo ...24

Figura 2.5 Configuração da integração do sistema de elevadores com o sistema de gerenciamento do edifício...26

Figura 3.1 Exemplo de um modelo em PFS com a identificação de seus elementos estruturais e a características de SEDs que é capaz de modelar ...37

Figura 3.2 a). Inicio de atividade devido à ocorrência de dois eventos ...38

b). Término de atividade devido à ocorrência de dois eventos. ...38

Figura 3.3 Interpretações típicas dos fluxos secundários...40

Figura 3.4 Alguns possíveis refinamentos de atividades ...41

Figura 3.5 Exemplo do refinamento de atividades ...42

Figura 3.6 Exemplo do refinamento de inter-ativiaddes...42

Figura 3.7 Exemplo de um modelo em MFG com a identificação...44

de seus elementos estruturais...44

Figura 3.8 Exemplo de boxes conflito. ...47

Figura 3.9 Exemplos de arbitragens de conflitos...48

Figura 3.10 Elementos que consideram o conceito do tempo em MFG ...50

Figura 3.11 Exemplo da estrutura de uma marca individual composta...52

Figura 3.12 Exemplo de uma inscrição na transição ...53

Figura 3.14 Exemplo de um box controlador alterando os atributos de uma marca...55

Figura 3.15 Nomenclatura da legenda dos filtros ...56

Figura 3.17 Modelo em MFG com arcos auto-modificáveis...58

Figura 4.1 Metodologia para a modelagem de sistemas de elevadores em EI...61

Figura 4.2Descomposição da descrição de um sistema em parte operativa e parte de controle 65 Figura 5.1 Localização do PAMB no complexo hospitalar das Clínicas...70

Figura 5.2. Planta ilustrativa do prédio dos ambulatórios (PAMB) com a disposição dos elevadores...74

(9)

Figura 5.4 Modelo conceitual em PFS do controle dos grupos. ...86

Figura 5.5 Detalhamento em MFG das atividades [ligar elevadores] e [serviço independente].86 Figura 5.6 Esquema das atividades realizadas pelo controle de grupo...87

Figura 5.7 Modelo em PFS das estratégias de controle consideradas para cada um dos grupos do PAMB ...88

Figura 5.8 Representação de uma solicitação para subir de primeira ordem (de andar) ...90

Figura 5.9 Representação de uma solicitação para subir de primeira ordem (de cabina)...90

Figura 5.10 Representação de uma solicitação para subir de segunda ordem ...91

Figura 5.11 Representação de uma solicitação para subirde terceira ordem (de andar) ...92

Figura 5.12 Representação de uma solicitação para subir de terceira ordem (de cabina). ...92

Figura 5.13 Representação de uma solicitação para subir de quarta ordem. ...93

Figura 5.14 Modelo em PFS da estratégia duplex/triplex...93

Figura 5.15 Refinamento em MFG (E-MFG) da atividades [receber chamadas de andar]. ...94

Figura 5.16 Refinamento em MFG (E-MFG) da atividade [determinar a diferença entre a posição atual dos elevadores 1, 2 e 3 e a posição da chamada (andares 2 ao 9) e designar o elevador para chamadas nestes andares]. Primeira parte. ...95

Figura 5.17 Refinamento em MFG(E-MFG, MFG auto-modificável) da atividades [determinar a diferença entre a posição atual dos elevadores 1, 2 e 3 e a posição da chamada (andares 2 ao 9) e designar o elevador para chamadas nestes andares]. Segunda parte. ...96

Figura 5.18 Modelo em MFG (E-MFG) da atividade [Determinar a diferença entre a posição atual dos elevadores 1, 2 e 3 e a posição da chamada (andares 1 ou 10) e designar o elevador para chamadas destes andares]. Primeira parte. ...98

Figura 5.19 Modelo em MFG (E-MFG, MFG auto-modificável) da atividade [Determinar a diferença entre a posição atual dos elevadores 1, 2 e 3 e a posição da chamada (andares 1 ou 10) e designar o elevador para chamadas destes andares] Segunda parte...99

Figura 5.20 Modelo conceitual em PFS da estratégia para tráfego de pico de subida...100

Figura 5.21 Modelo MFG (E-MFG) da atividade [receber chamadas de andar]...101

Figura 5.22 Modelo em MFG (E-MFG) da atividade [designar elevador 1 para atender chamadas de decida] ...102

Figura 5.23 Modelo em MFG (E-MFG) da atividade [designar elevador 2 e 3 para atender chamadas de subida no andar 5]...102

(10)

Figura 5.25 Modelo em PFS da estratégia para tráfego de pico de descida....104

Figura 5.26 Modelo em MFG (E-MFG) da atividade [Gerar e receber chamadas de andar] ...105

Figura 5.27 Modelo em PFS da estratégia em caso de incêndio fase-1 para o grupo B...106

Figura 5.28 Modelo em PFS da estratégia em caso de incêndio fase - 2 para o grupo B...106

Figura 5.29 Modelo em PFS da estratégia em caso de falta de energia para o grupo B...107

Figura 5.30 Modelo em PFS da estratégia de manutenção para o grupo B ...107

Figura 5.31 Modelo em PFS da estratégia em caso de falha de elevador no grupo B...108

Figura 5.32 Detalhamento em MFG (E-MFG) da atividade [Cancelar as solicitações do gerenciador de chamadas de cada elevador do grupo]...108

Figura 5.33 Detalhamento em MFG (E-MFG) da atividade [enviar um elevador a serviço independente] ...109

Figura 5.34 Modelo em MFG (E-MFG) da operação colocar elevador em serviço em grupo.110 Figura 5.35 Modelo em MFG (E-MFG) da operação ligar elevadores ...111

Figura 5.36 Modelo MFG (E-MFG) da operação parar os elevadores do grupo no andar mais próximo. ...112

Figura 5.37 Modelo em MFG (E-MFG) da operação movimentar elevadores do grupo sucessivamente até o térreo...113

Figura 5.38 Modelo em MFG (E-MFG) da operação desabilitar botões de cabina de cada elevador do grupo ativada pelas estratégias de incêndio fase - 1 e falta de energia...114

Figura 5.39Modelo em MFG (E-MFG) da operação desabilitar botões de cabina de elevador ... ...115

Figura 5.40 Modelo em PFS da operação colocar elevador em serviço independente ativada por interruptor de andar...116

Figura 5.41 Modelo em PFS da operação colocar elevador em serviço independente ativada por interruptor de cabina ...117

Figura 5.42 Modelo em PFS da operação colocar elevador em serviço independente ativada por uma estratégia ou pelo sistema de gerenciamento do edifício ...117

Figura 5.43 Detalhamento em MFG (E-MFG) da atividade [Retirar elevador do serviço em grupo] ...117

Figura 5.44 modelo em MFG (E-MFG) da atividade [escolher o elevador mais perto do andar solicitado]...118

(11)

Figura 5.46 Modelo em MFG (E-MFG) da operação retirar elevador do serviço em grupo....119

Figura 5.47 Exemplo em MFG (E-MFG) da conexão entre estratégia e operação ...120

Figura 5.48 Modelo do controle de cabina identificando seus módulos e interações...121

Figura 5.49 Modelo em MFG (E-MFG) do módulo de gerenciamento de chamadas ...122

Figura 5.50 Modelo em MFG (E-MFG) do módulo de inversão do sentido de movimento ....123

Figura 5.51 Modelo em MFG (E-MFG, MFG auto-modificável) do módulo de permissão....124

Figura 5.52 Modelos em MFG do módulo dos estados de operação...125

Figura 5.53 Modelo em MFG (E-MFG) do controle de andar ...126

Figura 5.54 Modelo em PFS do objeto de controle ( cabina 1 e dispositivo de atuação) ...128

Figura 5.55 Detalhamento em PFS da atividade [subir] ...129

Figura 5.56 Detalhamento em PFS da atividade [subir do andar 1] ...129

Figura 5.57 Detalhamento em PFS da inter-atividade parada no andar...130

Figura 5.58 Modelo em MFG do objeto de controle ...131

Figura I.1 Exemplo da trajetória de um SED ... .I. 2

Figura I.2 Exemplo de trajetória de um SVC ... I. 3

Figura II.1 a) Arcos múltiplos.b) Representação compacta………II. 2

Figura II.2 a) Transição habilitada. b) Marcação após o disparo………II. 3

Figura II.3 Modelo simples de um sistema computacional……….II. 6

Figura II.4 Exemplo de rede de Petri e seu respetivo árvore de alcançabilidades………….II. 14

(12)

L

ISTA DE

T

ABELAS

Tabela 2.1 Classificação das funções do edifício inteligente………12

Tabela 2.2 Dispositivos usados no controle de sistemas de elevadores……….20

Tabela 3.1 Macro elementos do MFG……….50

Tabela 3.2 Portas dos macro elementos do MFG……….51

Tabela 5.1 Algumas informações do sistema de elevadores do PAMB………....73

Tabela 5.2 Número de grupos de elevadores no PAMB………..74

Tabela 5.3 Andares servidos e paradas dos elevadores do PAMB………...75

Tabela I.1 Classificação dos modelos de SEDs……….I. 5

(13)

L

ISTA DE

A

BREVIATURAS OU

S

IGLAS

BISDN EI E-MFG

F-MFG HVAC

ISDN MFG PFS

RP SED

SGE

Broadbands Integrated Services Digital Network Edifício Inteligente

Extended Mark Flow Graph

Functional Mark Flow Graph

Heating, Ventilating and Air Conditioning

Integrated Services Digital Network Mark Flow Graph

Production Flow Schema

Rede de Petri

Sistemas a Eventos Discretos

(14)

R

ESUMO

O sistema de elevadores como equipamento para o transporte vertical de pessoas e bens é um componente fundamental no projeto de edifícios e, neste âmbito, a disponibilidade e eficiência do seu serviço deve ser objeto de cuidadosa análise em função de sua influência no desempenho e produtividade das atividades dos usuários do prédio. Neste contexto e considerando especificamente os edifícios inteligentes cuja finalidade é a otimização a nível estrutural e funcional do edifício como um todo, e onde a integração entre seus sistemas cumpre um papel fundamental para atingir estes objetivos, o presente trabalho propõe uma metodologia para a modelagem de sistemas de elevadores nestes prédios, que considera a sua integração com outros sistemas prediais.

A abordagem empregada no desenvolvimento deste trabalho baseia-se na caracterização dos sistemas de elevadores como sistemas a eventos discretos (SED), pois sua dinâmica é definida através da ocorrência de eventos e a manutenção de estados discretos. Assim, na metodologia utiliza-se técnicas derivadas das redes de Petri (redes de Petri interpretadas), de comprovada eficiência para a modelagem, análise e controle de SEDs. Estas ferramentas são usadas através de uma abordagem estrutural, onde o sistema é modelado em diferentes níveis de abstração: um modelo conceitual obtido pelo uso da técnica PFS (Production Flow Schema) em um primeiro nível, e o refinamento deste para modelos funcionais através do uso do MFG (Mark Flow Graph) e suas extensões, onde são preservadas as estruturas das atividades do nível superior e são descritos os detalhes em um nível funcional.

A metodologia proposta confirmou ser útil e eficiente para a modelagem do sistema de elevadores em edifícios inteligentes, ao permitir a especificação do modelo funcional de todo o sistema (objeto de controle e sistema de controle) e das estratégias que facilitam a sua integração com outros sistemas prediais.

(15)

A

BSTRACT

The elevator system as mean for the vertical transport of people and goods is a fundamental component in the design of buildings. The availability and efficiency of this service must be object of careful analysis due to its influence on the performance and productivity of the building users’ activities. In intelligent buildings, the purpose is the optimization of its structural and functional levels and where also the integration between all building systems accomplishes a fundamental role to reach these objectives. In this context, this work proposes a methodology for the modeling of elevator systems in these buildings, which consider your integration with others buildings systems.

The approach developed in this work is based on the characterization of elevator systems as Discrete Event Systems (DES), since the dynamic behavior is defined through the discrete events and discrete states. The proposed methodology uses techniques, that are derived of interpreted Petri nets, which has been proven as an efficient tool for modeling, analysis and control of DES. In this context, systems are modeled in different levels of abstraction: a conceptual model which is obtained by using the PFS (Production Flow Schema) technique level, and a functional model by using MFG (Mark Flow Graph) and its extensions. The MFG abstraction level describes details in a functional form, where are preserved the description activities of previous levels.

The methodology proposal confirmed to be useful and efficient to elevator systems modeling, when allowing the functional specification of the whole system (object of control and control system), and strategies that facilitate its integration with others building systems.

(16)

S

UMÁRIO

A

PÊNDICES

APÊNDICE I I. 1 SISTEMAS A EVENTOS DISCRETOS – SED I. 1

I.1 MODELOS DE SED I. 3

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS I. 6

APÊNDICE II II. 1 REDES DE PETRI II. 1

II.1 ESTRUTURA DE UMA REDE DE PETRI II. 2

II.2 MARCAÇÃO DE UMA REDE DE PETRI II. 2

II. 3 PROPRIEDADES DAS REDES DE PETRI II. 4

II. 4 MÉTODO DE VERIFICAÇÃO DE UMA REDE DE PETRI II. 5

II. 5 CLASSES DE REDES DE PETRI II. 9

II.5.1 REDES DE PETRI ORDINÁRIAS II. 9

II.5.3 EXTENSÕES DE REDES DE PETRI II. 11

II.5.4 REDES DE PETRI INTERPRETADAS II. 11

(17)

Capítulo 1

INTRODUÇÃO

Este capítulo, apresenta a justificativa, as motivações e o objetivo para o desenvolvimento deste trabalho, bem como a organização do texto.

1.1. J

USTIFICATIVA E

M

OTIVAÇÕES

As demandas do mundo atual fazem da eficiência, a produtividade e a segurança os principais aspectos que devem ser levados em conta ao projetar ou modificar um

sistema. Para conseguir estes objetivos tem-se que, necessariamente, considerar novos conceitos e diferentes técnicas e abordagens que possam ser aplicadas, tanto para a

modelagem do sistema como para sua avaliação, além, evidentemente, do aproveitamento eficiente e efetivo dos recursos de alta tecnologia atualmente disponíveis.

Considerando estes fatores para a situação em que o objetivo é o projeto de edifícios

inteligentes, observa-se que novas metodologias estão sendo desenvolvidas no sentido de considerar peculiaridades relacionadas à funcionalidade que se deseja associar ao

sistema do edifício. De acordo com estas abordagens, o comportamento e interação dos usuários que utilizam um determinado edifício devem ser considerados e devidamente estudados para incrementar a produtividade destes indivíduos neste ambiente, uma vez

(18)

Capítulo 1 – INTRODUÇÃO 2

Neste contexto, a diversificação e evolução dos serviços oferecidos e disponibilizados

num edifício, a difusão e popularização das tecnologias mecatrônicas (incluindo tele-operação e monitoração remota) e da informação e, a necessidade de maior flexibilidade e versatilidade dos recursos, envolvem um novo paradigma para a concepção de

edifícios, passando a incorporar até mesmo fatores comportamentais que promovem a produtividade nas tarefas que se realizam em seu interior [Finley et al., 1991]. Estes

edifícios devem assim, ser projetados (sua concepção deve considerar novas técnicas de planejamento, construção, manutenção, gestão e atualização) de forma que possam absorver novas tecnologias para incrementar sua competitividade e adaptar-se aos

requerimentos que a futura sociedade exigirá, procurando se manter produtivos ao longo de todo seu ciclo de vida, evitando a obsolescência prematura.

De acordo com as considerações anteriores, um edifício inteligente para alcançar suas

metas deve incorporar sistemas mecatrônicos e de informação, que o capacitem para a prestação de serviços avançados com elevado grau de autonomia, permitindo além do

controle automatizado, a monitoração, gestão e manutenção dos diferentes sistemas de serviços do edifício, considerando critérios de otimização e integração, com operação local e/ou remota, e com flexibilidade para possibilitar de maneira simples e econômica

a incorporação de novos sistemas [Roth, 88].

Dentro desta perspectiva e, considerando que os elevadores como equipamento para o transporte vertical de pessoas e bens, são um dos sistemas fundamentais de suporte às

atividades de locomoção dos usuários, deve-se estudar meios para implementar a sua integração [Clark G. et al., 1995] com outros sistemas prediais (como o sistema de prevenção de incêndios, o sistema de controle e gestão de energia, etc.). Esta integração

(19)

(Building Management System - BMS) [Arkin & Paciuk, 1995], que inexiste nos

edifícios tradicionais.

Além disso, deve-se ter em conta que o transporte vertical é um componente fundamental no projeto de edifícios e, representa uma porção substancial dos custos de

construção e manutenção de um edifício [Strakosch, 1983]. Neste sentido, a disponibilidade e eficiência do seu serviço, deve ser objeto de cuidadosa análise em função de sua influência no desempenho e produtividade das atividades dos usuários do

edifício, o que evidencia a importância do planejamento adequado quando se refere a seus requerimentos quantitativos e qualitativos.

Considerando ainda a importância que têm os sistemas de elevadores nos edifícios em

geral e, em especial no âmbito dos edifícios inteligentes ao contribuir para alcançar seus objetivos, é evidente que seu projeto e operação necessitem de técnicas de modelagem e análise, que visem selecionar alternativas ótimas de projeto e políticas de operação de

forma a reduzir tempos e custos.

Desta maneira e dada a complexidade dos sistemas de elevadores, torna-se muito importante uma modelagem adequada que permita verificar a dinâmica do sistema e,

sua integração com outros sistemas prediais além de facilitar uma posterior análise deste. Isto justifica o estudo de metodologias para auxiliar e direcionar o

(20)

Assim, a realização deste trabalho deriva da necessidade existente de uma metodologia

que permita modelar sistemas de elevadores, considerando sua interação com outros sistemas prediais em um edifício inteligente.

Baseado nos aspectos acima citados e, considerando que a maior parte dos sistemas de

edifícios, em particular os sistemas de elevadores, têm como característica um comportamento dinâmico definido através das mudanças (evolução) de estados como conseqüência da ocorrência de eventos discretos (sistemas denominados como Sistemas

a Eventos Discretos–SED [ Ramadge & Wonham 1989; Miyagi, 1996], vide apêndice I), o presente trabalho estuda a aplicação da teoria de redes de Petri (como técnica para

a modelagem, análise, controle e projeto de SEDs) neste sistema, por ser esta uma técnica de comprovada eficiência para sistemas desta natureza [Gomes, 1997] e adequada em função das características dos modelos derivados dela, como são[Ho,

1991]:

• Facilidade na descrição da dinâmica do sistema tanto no sentido de desenvolvimento

do modelo quanto no de interpretação deste.

• Consideração das características quantitativas e qualitativas, possibilitando a análise

destas informações.

As redes de Petri e técnicas derivadas, como é o caso do MFG (Mark Flow Graph), tem sido introduzidas com sucesso como ferramentas eficientes para aplicações em sistemas

de manufatura, sistemas de informação, etc.[Miyagi,1988; Arakaki, 1993; Santos, 1993; Liu, 1993; Kagohara, 1998]. Entretanto, dependendo da complexidade dos sistemas a

(21)

hierarquizado construído em PFS (Production Flow Schema) [Miyagi, 1988]. Tendo em

conta estes aspectos e, sendo esta metodologia um meio disciplinador para a construção dos modelos em diferentes níveis, considera-se conveniente a sua utilização no caso de sistemas de elevadores em edifícios inteligentes.

1.2. O

BJETIVO

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia* para a modelagem de sistemas de elevadores que auxilie no projeto destes em edifícios inteligentes.

A abordagem considerada para este propósito baseia-se na teoria dos sistemas a eventos

discretos e na aplicação de técnicas derivadas das Redes de Petri, mediante a qual são desenvolvidos modelos tanto do objeto de controle, quanto do controle do sistema de

elevadores onde é considerada a integração com outros sistemas prediais

1.3. O

RGANIZAÇÃO DO

T

EXTO

A seguir, apresenta-se uma descrição do conteúdo dos capítulos seguintes que compõem

o trabalho:

Capítulo 2: Edifícios Inteligentes e Sistemas de Elevadores

Este capítulo apresenta algumas das definições propostas para o conceito de edifício inteligente, assim como os seus objetivos, funções e características, ressaltando o papel da integração entre seus diversos sistemas.

Em seguida são apresentados os conceitos relevantes dentro do sistema de elevadores

que compreendem seu funcionamento e controle.

(22)

Realiza-se também, uma descrição do papel do sistemas de elevadores no contexto dos

edifícios inteligentes, abordando-se sua integração com outros sistemas prediais.

Capítulo 3: Aplicação de Rede de Petri

Neste capítulo é realizada uma breve recapitulação das redes de Petri, considerando suas vantagens e características. Prossegue-se apresentando a metodologia PFS/MFG

baseada nesta teoria e na qual este trabalho é desenvolvido.

Capítulo 4: Metodologia para a Modelagem e Análise de Sistemas de

Elevadores.

Neste capítulo é apresentada a metodologia para a modelagem de sistemas de elevadores no contexto dos edifícios inteligentes, através do uso da abordagem

hierárquica e estruturada da metodologia PFS/MFG.

Capítulo 5: Estudo de Caso.

Neste capítulo apresenta-se o estudo de caso: um prédio hospitalar (prédio dos Ambulatórios - PAMB) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da

Universidade de São Paulo (HC-FMUSP), no qual é aplicada a metodologia desenvolvida, considerando sua interação com diferentes sistemas prediais.

Capítulo 6: Comentários Finais e Conclusões

Neste capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho, e as sugestões de novos tópicos a serem pesquisados em futuros trabalhos.

Neste trabalho, estão incluídos os seguintes apêndices, onde são apresentados alguns

(23)

1. Sistemas a Eventos Discretos (SEDs) e Sistemas de Variáveis Continuas

(SVC)

(24)

Capítulo 2

EDIFÍCIOS INTELIGENTES E SISTEMAS DE

ELEVADORES

Este capítulo trata dos conceitos básicos envolvidos no presente trabalho. Aqui são

apresentadas algumas das definições de edifício inteligente, suas características e objetivos. Em seguida, é abordado o tópico dos sistemas de elevadores, suas

características, funcionamento e integração com outros sistemas prediais.

2.1. E

DIFÍCIOS

I

NTELIGENTES

Cada vez mais, novas tecnologias são disponibilizadas e desenvolvidas para os locais de

trabalho, lazer e residência. Assim, mudanças conceituais na arquitetura, projeto das instalações e na própria utilização das edificações estão transformando estes ambientes, constituindo-se em um tema de estudo amplo e multi-disciplinar que está relacionado

com o conceito de “edifício inteligente”.

O interesse por este tipo de edifícios é justificado, quando se considera o custo inicial das edificações, projetadas em média para durar pelo menos 50 anos, e os custos de

operação (5 a 10% em consumo de energia) e manutenção que constituem cerca de 65 a 80% dos custos totais [Han, 1997]; em poucos anos é possível justificar uma despesa em automação predial (automação dos diversos serviços) que poderia chegar em média

até 3% do total do empreendimento [Pertusier, 1993]. Estudos indicam também que a produtividade dos profissionais alocados em edifícios com maiores graus de automação

(25)

Capítulo 2 – EDIFÍCIOS INTELIGENTES E SISTEMAS DE ELEVADORES 9

Os edifícios inteligentes representam um produto que é o resultado da fusão de vários

campos envolvidos no projeto e construção de edifícios, alguns dos quais haviam sido considerados no passado como essencialmente distintos e sem interseção como são a arquitetura interior e exterior, as tecnologias da computação e as telecomunicações, a

ergonomia, os fatores humanos, os processos construtivos e as tecnologias de suporte e operação de edifícios em geral: aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC),

segurança predial, transporte e todas as tecnologias (construção civil, mecânica, elétrica e mecatrônica) envolvidas [Finley et al., 1991].

2.1.1. DEFINIÇÃO

Atualmente não existe uma definição precisa do que pode-se denominar como “Edifício

Inteligente”(EI). Este termofoi inicialmente usado nos anos 70 por motivos meramente comerciais, anunciando alta qualidade e rápido retorno do investimento. Neste sentido, a definição dos serviços que estes deveriam prestar e o significado da chamada

“inteligência do edifício” tem sido imprecisa e, sujeita ao critério pessoal de proprietários e usuários [Arkin & Paciuk, 1995].

A “inteligência do edifício” tem sido objeto de diferentes interpretações a nível

mundial, isto é: nos Estados Unidos a mais importante característica dos edifícios inteligentes foi a inter-conexão dos sistemas de serviços para o beneficio dos ocupantes. Na Europa um edifício inteligente deve tratar com a interação entre os sistemas e os

(26)

Posteriormente, foram desenvolvidas, várias abordagens procurando obter uma

definição para este conceito, as quais acabam sempre limitadas ao campo de atuação de quem as define, ou ainda do interesse específico de algum caso prático.

Entre as várias definições que têm sido apresentadas cita-se:

Nos Estados Unidos, a definição aceitada pelo IBI (Intelligent Building Institute) é: “Um edifício inteligente é aquele que permite a criação de ambientes produtivos e com custos efetivos, através da otimização de seus quatro elementos básicos: (1) estrutura,

(2) sistemas, (3) serviços e (4) gerenciamento, assim como o inter-relacionamento entre eles” [Maeda, 1993].

A ABCI (Associação Brasileira da Construção Industrializada) define os edifícios com

alta tecnologia como uma extensão à definição anterior incrementando: “aqueles que possuem um bom e atualizado projeto e uma construção racional e econômica; ou aqueles que são bem projetados e construídos, levando-se em conta as exigências de uso

e evolução tecnológica”.

Na Europa, o EIBG (European Intelligent Building Group) define um edifício inteligente como sendo aquele que “cria um ambiente que permite às organizações

atingir os seus objetivos e maximiza a eficiência dos seus ocupantes enquanto, ao mesmo tempo, permite uma gestão eficiente dos recursos com um mínimo de custos em

termos de ocupação humana” [Becker, 1995].

(27)

e (c) boa segurança contra incêndio, patrimonial e individual e operação altamente

econômica [Maeda, 1993].

As definições apresentadas têm como objetivo comum a criação de um ambiente eficiente e produtivo, através de custos mínimos.

Assim, os edifícios inteligentes, têm evoluído como resposta às demandas do mundo

atual (eficiência, produtividade e segurança), à globalização, à diversificação e evolução dos serviços oferecidos e disponibilizados num edifício, à difusão e popularização das tecnologias mecatrônicas e da informação e a necessidade de maior flexibilidade e

versatilidade dos recursos. Convertendo-se assim em um novo paradigma para a concepção e o projeto de edifícios [Abramsom, 1995; Fujie & Mikami, 1991].

2.1.2. OBJETIVOS E CARACTERÍSTICAS

[Fujie & Mikami, 1991] afirmam que os edifícios inteligentes têm quatro objetivos

principais:

• Assegurar a satisfação das pessoas que trabalham dentro dele (segurança,

eficácia e conforto);

• Racionalizar a administração (controle de energia, controle dos serviços de

manutenção, etc.);

• Responder rapidamente, de modo flexível e econômico às diversas alterações

que ocorrem em seu interior (adaptabilidade às funções requeridas);

• Racionalizar a recepção e transmissão de informação, atuando como um

(28)

Estes objetivos tentam ser alcançados nos edifícios de hoje através da introdução de

vários níveis de automação em áreas distintas e com equipamentos diversos [Kroner, 1997].

Do ponto de vista da classificação das funções de um edifício inteligente, várias

propostas têm sido apresentadas. [Arkin & Paciuk, 1995] propõem uma divisão em: • Sistemas;

• Serviços;

• Gestão.

E cujas descrições estão apresentadas na tabela 2.1.

Tabela 2.1 Classificação das funções do edifício inteligente.

Funções Descrição

Sistemas Elevadores, HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), iluminação, energia elétrica,

drenagem e abastecimento de água, controle de acesso, segurança (fogo e vida), intrusão,

telecomunicações e processamento de dados.

Serviços Voz/ vídeo/ dados, automação de escritório, serviços (compartilhados) a locatários, gestão de

segurança, operações fora de hora, etc.

Gestão Incluindo limpeza, manutenção, treinamento, propriedade, arrendamento, etc.

De acordo com [Flax, 1991] um IBS (Intelligent Building System) é a integração de

uma grande quantidade e variedade de sistemas dos quais os mais relevantes são a seguir listados:

• Sistemas de Gerenciamento de Energia (EMS – Energy Management Control

System);

• Sistema de Automação do Edifício (BAS – Building Automation System);

(29)

• Sistema de ar condicionado e ventilação;

• Sistema de iluminação;

• Sistemas de segurança;

• Sistema de controle de acesso;

• Sistemas de detecção e combate a incêndio;

• Sistema de Gerenciamento das Comunicações (CMS – Communication

Management System);

• Sistema de Automação de Escritórios (OA – Office Automation System);

• Sistemas para gerenciamento de informações;

• Sistemas de manutenção.

No projeto de edifícios inteligentes, aspectos como acabamento, revestimentos, distribuição de energia, iluminação, sistema de elevadores, condicionamento ambiental

entre outros, tornam-se elementos definidores da eficiência destes edifícios. É assim fundamental que o projeto especifique uma construção funcional, principalmente quanto à flexibilidade, segurança, economia de energia e integração dos diversos recursos.

2.1.3. INTEGRAÇÃO DE SISTEMAS EM EDIFÍCIOS

INTELIGENTES

Embora um edifício possa ser projetado ergonomicamente e com a incorporação de sistemas de telecomunicações e computadores, este ainda não é realmente um edifício

inteligente, a menos, que o mesmo sistema ofereça a integração das facilidades e serviços necessária para atingir as suas metas [Finley et al., 1991].

A integração dos sistemas é uma característica indispensável de um edifício inteligente

(30)

ocupantes, confiabilidade dos sistemas, robustez do controle dos sistemas e a

diminuição dos custos de operações [Clark G. et al, 1995]. Esta integração permite que todos os sistemas atuem cooperativamente e como um único sistema.

A integração de sistemas em um edifício inteligente requer uma administração de

complexidades que envolve a necessidade de conhecimento adequado de cada processo e da influência da automação no desempenho global, assim como a melhor escolha entre as inúmeras técnicas digitais de controle e otimização disponíveis.

Segundo [Azegami & Fujiyoshi, 1993], a melhor integração entre os vários sistemas de

um edifício inteligente é realizada através da convergência do processamento da informação e, as tecnologias mecatrônicas e de telecomunicações.

Em [Han, 1997], destaca-se que a meta atual de um edifício inteligente é integrar toda a

informação necessária para gerenciar os sistemas eficientemente e disponibilizar recursos efetivos aos usuários.

A implantação de sistemas que visam a integração segue um caminho no qual possa-se

atender as necessidades atuais e futuras dos usuários, sem obsolescência antes de se obter o retorno do investimento [Finley, et al., 1991]. O grupo de serviços de valor agregado adicional requerem estudos cuidadosos de análise e implementação. O sistema

e seu núcleo devem ser flexíveis em suas instalações e devem prever sua expansão quando as necessidades dos usuários aumentam ou se alteram.

Segundo [Marte, 1994], a automação em um edifício inteligente deve prever o

(31)

maior do que a soma das possibilidades de controle isolado dos componentes da

edificação.

Em geral, as instalações e os projetos arquitetônicos e estruturais devem procurar alcançar um melhor grau de integração entre os sistemas, pois quanto mais efetivo o

planejamento e o projeto da integração (considerando-se aspectos de inter-operabilidade, engenharia dos sistemas e infra-estrutura “inteligente”), mais tangíveis serão os benefícios obtidos com a automação nas edificações. Considera-se assim que a

chave da operação efetiva em um edifício inteligente é a integração entre os serviços, os sistemas e a estrutura [Arkin & Paciuk, 1995].

Existem várias propostas para integrar os diversos sistemas prediais em um edifício

inteligente. Inicialmente, o projeto de integração nestes edifícios consistia em coletar os dados de controladores locais dedicados à proteção contra incêndios, segurança, ar condicionado e ao gerenciamento de energia em uma central de monitoração destes

serviços. No caso dos dados apresentaram desvios dos valores de referência, era prevista a intervenção de um operador humano [Mehta, et al., 1995].

Uma outra proposta para a integração é a que considera a adaptação dos sistemas para

tratar situações de emergência em contraposição a situações de operação normal. Tipicamente são considerados nesta integração: o sistema de detecção de incêndios com

o sistema de elevadores e o sistema de ar condicionado. Sistemas mais avançados incluem a integração do sistema de controle de acesso e detecção de presença com o sistema de incêndio e o gerenciamento de evacuação. Com relação ao sistema de

(32)

influência entre sistemas como o de iluminação e ar condicionado para conseguir

gerenciar políticas globais mais econômicas.

Abordagens mais recentes usam inteligência distribuída, onde são usados microprocessadores nos controladores locais conectados em rede, permitindo que mais

entradas possam serem monitoradas e mais funções possam ser realizadas a menor custo. Assim, os diferentes sistemas são conectados a um computador central e este a um sistema central chamado Sistema de Gerenciamento do Edifício - SGE (BMS –

Building Management System). Esta arquitetura permite que o SGE implemente funções de monitoração e controle avançadas [Mehta, et al., 1995].

Algumas outras abordagens consideram uma estrutura hierárquica para o sistema, um

deles é aquele que contempla dois níveis na estrutura: um nível superior no qual se encontra o sistema de gerenciamento do edifício e outro nível subordinado a este onde estão cada um dos controles de cada sistema predial [Thumm, 1995; Peters, 1996] (vide

figura 2.1).

Figura 2.1 Estrutura hierárquica de integração em edifícios inteligentes.

De acordo à estrutura apresentada (figura 2.1), o mais alto nível na hierarquia, é o Sistema de Gerenciamento do Edifício (SGE), cuja função é o compartilhamento de

informações em tempo real, visando o gerenciamento do edifício como um todo, para a

Sistema de Gerenciamento do Edifício SGE

Sistema de Gerenciamento de Energia

Sistema de

(33)

otimização de todos os controles enquanto trata os requerimentos de conforto, eficiência

energética e funcionamento do edifício. No segundo nível hierárquico, encontram-se os diversos sistemas que integram o edifício e que inter-atuam através do SGE.

Para implementar a integração, existe atualmente o problema da comunicação entre os

diferentes sistemas. Alguns esforços no sentido da integração, são as redes digitais de serviços integrados (Integrated Services Digital Network -- ISDN) e o conceito de sistemas distribuídos para redes digitais de serviços integrados (Broadbands Integrated

Services Digital Network–BISDN) combinando funções de telecomunicações e tele-computação em um sistema único que manipula sinais de voz, dados e imagens na

forma digital [Finley et al., 1991].

Em geral, o nível de integração nos edifícios vária de acordo, principalmente, com a tecnologia disponível e o grau de prioridade outorgado para cada sistema.

No âmbito do presente trabalho, considerada-se como arquitetura de integração a

estrutura apresentada na figura 2.1, que integra diretamente cada um dos sistema prediais ao sistema de gerenciamento do edifício.

2.2. S

ISTEMAS DE

E

LEVADORES

Os sistemas de elevadores são instalados nos edifícios para satisfazer as necessidades de

transporte vertical de seus usuários e são necessários não apenas para a conveniência e o conforto humano mas para assegurar condições de trabalho, comerciais, etc.

(34)

modelagem e análise que permitam selecionar alternativas ótimas de projeto e operação

de forma a reduzir tempos e custos envolvidos.

O desenvolvimento destes sistemas tem sido afetado pelas exigências de produtividade (que é considerada maior quanto menor o tempo de locomoção, tempo de espera, etc.)

do mundo atual. Muitos avanços têm sido alcançados neste campo com a introdução de melhores sistemas de controle (monitoração e acionamento), no entanto, não existem muitos relatos e publicações quanto aos métodos de modelagem e análise de sistemas de

elevadores integrados a outros sistemas prediais.

Para a implementação de um sistema de elevadores, os projetistas devem desenvolver estudos baseados em especificações e simulações de modelos que permitam o exame e

análise das várias configurações possíveis e o detalhamento das propostas mais promissoras.

O funcionamento especificado destes sistemas é geralmente determinado pela natureza

da demanda de transporte do edifício, a qual pode ser atendida utilizando diferentes métodos visando a otimização do desempenho do sistema tanto quantitativamente como qualitativamente.

2.2.1. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA

A operação de um sistema de elevadores (pode envolver um único elevador ou um

grupo com vários elevadores) pode ser explicada ao considerar como um passageiro é transportado do andar A ao andar B:

No andar A o passageiro registra uma chamada de andar ao pressionar um botão na

(35)

chamada sinalizando isso ao usuário através de um sinal luminoso e seleciona um

elevador para serví-lo. O passageiro pode observar a posição e direção de movimento do elevador no edifício através de sinalizadores nos andares e um sinalizador de direção cujo estado é atualizado quando o elevador se movimenta. A sinalização no andar é

desligada quando a cabina do elevador selecionado alcança o andar da solicitação e as portas são abertas. O passageiro entra e registra através de botões (de comando) dentro

da cabina seu destino, isto é o andar B, o qual é devidamente sinalizado para indicar o registro feito pelo “controlador de cabina”. As portas se fecham e o elevador se move até o andar B. Ao chegar próximo ao andar B o elevador reduz a marcha, pára e abre as

portas para que o passageiro desembarque. A figura 2.2 apresenta os elementos envolvidos na operação deste sistema.

Figura 2.2 Elementos básicos envolvidos na operação do sistema de elevadores

Controlador de grupo

Controlador

de cabina 1 Controladorde cabina i

...

Botoeira de cabina e sinalizadores

Andar j Andar j+1 Botoeira de andar

e sinalizadores

Andar j+1

(36)

2.2.2. CONTROLE DO SISTEMA DE ELEVADORES

Considerado como um sistema a eventos discretos, o sistema de elevadores pode ser descomposto para seu estudo conforme com o esquema apresentado na figura 2.3

[Miyagi, 1996].

Figura 2.3 Diagrama conceitual básico do sistema de controle de SED

Segundo este esquema, os principais dispositivos utilizados no controle de sistemas de elevadores podem classificar-se da seguinte forma (tabela 2.2):

Tabela 2.2 Dispositivos usados no controle de sistemas de elevadores

CLASSIFICAÇÃO DISPOSITIVOS

Dispositivo de Comando

Dispositivo de Atuação

Dispositivo de Detecção

Dispositivo de Realização

Dispositivo de Monitoração

Botoeiras (na cabina e andar)

Motores das cabinas, atuadores das portas

Fotocélulas, detetores do peso nas cabinas, detetores de posição

Controlador programável, computador

Sinalizadores de direção e de posição, sinalizadores de registro de

comando (de cabina e andar), alarmes sonoros Operador/

Usuário

Dispositivo de Realização

do Controle Dispositivo

de Comando

Dispositivo de Atuação

Dispositivo de Monitoração

Dispositivo de Detecção

Objeto de Controle

(37)

Os objetivos do controle de sistemas de elevadores se baseiam nos requerimentos gerais

para estes sistemas [Thumm, 1995]: • Alta disponibilidade;

• Baixo consumo de energia;

• Menor espaço requerido dentro do edifício;

• Menores tempos de espera;

• Baixos custos de aquisição, instalação e manutenção

• Maior conforto

Segundo estes requerimentos alguns dos objetivos do sistema de controle são [Sasaki et al., 1996]:

• Maximizar a capacidade de trabalho para diferentes tipos de tráfego.

• Minimizar o tempo de espera médio para todos os passageiros.

• Reduzir o consumo de energia pela redução nos tempos de viagem e do número de

partidas dos atuadores (motores elétricos por exemplo).

• Minimizar o tempo médio de serviço para todos os passageiros, isto é, o tempo total

gasto pelos passageiros esperando por uma cabina e viajando até seu andar de destino.

Alguns destes objetivos são contraditórios entre si. Assim, é impossível satisfazer todos

os critérios simultaneamente e se procura então, para um controle eficiente do sistema, satisfazer cada critério em algum sentido ou atender um objetivo específico.

Assim, considera-se genericamente que a finalidade do controle envolve também o

(38)

painéis de comando que controlam a partida, a parada, o sentido de movimento do

carro, e a seleção das chamadas e outras funções correlatas [Villares, 1994]. Os controles mais usuais são:

A. C

ONTROLE DE UM ÚNICO

E

LEVADOR

A forma mais simples de controle automático de elevadores é o controle automático de chamadas. Apresenta-se a seguir os casos mais comumente encontrados:

CONTROLE AUTOMÁTICO COLETIVO

É o controle automático caracterizado por existirem botões de comando de destino (um

para cada andar) instalados na cabina, e um único botão de chamada instalado em cada andar, todos ligados ao controlador, de tal maneira que todas as chamadas fiquem nele registradas. O elevador efetua as paradas em ordem seqüencial ao seu movimento,

independentemente da ordem em que as chamadas tenham sido registradas, e prossegue neste sentido atendendo a todas as chamadas realizadas.

CONTROLE AUTOMÁTICO SELETIVO NA DESCIDA

É o controle automático coletivo no qual as chamadas registradas de andar somente são atendidas quando o elevador se movimenta em sentido descendente, a partir da chamada

no andar mais elevado.

Aplica-se a edifícios em que o movimento principal é constituído pelo tráfego entre o térreo e os demais andares e vice-versa, sem que haja tráfego apreciável entre os

(39)

CONTROLE AUTOMÁTICO COLETIVO SELETIVO NA SUBIDA E NA DESCIDA

É o controle automático coletivo no qual existem nos andares intermediários dois botões, um de subida e um de descida, e apenas um botão nos andares extremos. Neste

sistema de controle as chamadas de andar para subir são selecionadas separadamente das chamadas de andar para descer, sendo atendidas primeiramente todas as chamadas

registradas em um dos sentidos para depois serem atendidas as de sentido oposto.

Aplica-se a edifícios onde o fluxo predominante seja entre os andares, tais como escritórios em geral ou de uma única entidade, como repartições públicas, etc.

B. C

ONTROLE DE

G

RUPO

É o controle automático para grupo de dois ou mais elevadores que operam em conjunto

e que tenham o mesmo número de paradas, entradas no mesmo hall, somente um andar principal de acesso e a mesma destinação de uso, como por exemplo todos os

elevadores de passageiros ou todos de serviço, não incluindo os elevadores isolados.

O controle, além de efetuar a seleção de chamadas de subida e/ou descida, seleciona através do uso de estratégias de controle qual é o elevador que de maneira eficiente e de acordo com um padrão de tráfego especifico, deve atender a determinadas chamadas de

andar.

Estes sistemas são indicados para qualquer tipo de edifício, sempre visando o melhor rendimento para o fluxo de usuários. Aplica-se nos casos em que por exemplo, não há

(40)

Nos sistemas mais complexos, além das seleções já referidas, o controle determina, nas

horas de “rush”, quais são as chamadas prioritárias (chamadas de andar principal, chamadas de descida, chamadas de subida, etc.). Além disso, estes controles têm flexibilidade para adaptar-se às mais variadas situações de tráfego. São indicados para

edifícios com grande fluxo de usuários.

Nos casos de controle de grupo, não é necessária a instalação de botoeira nos andares

para cada um dos elevadores, bastando uma para todo o grupo. A figura 2.4 apresenta a configuração típica do sistema de controle de um grupo de elevadores.

Figura 2.4 Configuração do sistema de controle de grupo

Como indicado na figura o sistema de controle para um grupo de elevadores, consiste de um “controle de grupo” e unidades de controle individuais para cada elevador (cabina).

A função do controle de grupo é supervisar simultaneamente diversos elevadores e assegurar que estes operem de maneira eficiente, com a finalidade de oferecer e realizar

Controle de Grupo

Unidade de Controle Operacional

Unidade de comando de velocidade

Unidade de controle de velocidade

Driver do motor

Motor Elev. no 1 contrapeso Detetor de posição

Unidade de Controle Operacional

Unidade de comando de velocidade

Unidade de control e de velocidade

Driver do motor

Motor Elev. no i contrapeso Detetor de posição Chamada de pavimento

Sinal de posição

Estado do el evador Estado do elevador Comando do

control e de grupo

Comando do controle de grupo

Detetor de velocidade Detetor de velocidade Vel. Vel. Botões de pavimento

Sinal de posição

Controle da porta Controle da porta Cham. cab. Cham. cab.

(41)

o melhor nível de serviço possível. Este controle, deve designar entre os vários

elevadores do grupo, qual deles realizará o atendimento de uma solicitação que um passageiro realize a partir de um determinado andar. O “controle de grupo” coordena as respostas às chamadas de andar, segundo os sinais dos detetores de posição e direção de

movimento de cada cabina. Quando um comando do “controle de grupo” é recebido pelo controle de cabina ou unidade de controle individual, a respectiva unidade de

controle operacional, contida dentro deste, envia o comando para acionar o “driver do motor”. Este comando está baseado na relação entre o andar onde o elevador deve parar e sua posição atualizada pelo detetor de posição. A unidade de controle operacional,

controla também as portas e o freio para travamento do movimento da cabina.

A unidade de comando de velocidade, envia um comando para regular a velocidade, de acordo com a distância entre a posição atual da cabina e a posição de parada desejada.

No contexto deste trabalho, considera-se basicamente os sistemas de elevadores que

possuem controle de grupo (controladores programáveis), pois esta é a classe de sistemas empregada no âmbito dos edifícios inteligentes, pela sua eficiência,

flexibilidade e facilidade de atender as especificações de integração com outros sistemas prediais.

2.2.3. INTEGRAÇÃO DO SISTEMA DE ELEVADORES EM

EDIFÍCIOS INTELIGENTES

Como foi mencionado, a integração dos diversos sistemas de um edifício inteligente visa a otimização do desempenho do edifício como um todo. Neste contexto a

(42)

identificação de eventos e situações previstas por estes que possam ter alguma

influência no primeiro.

Ao abordar esta integração, e tendo em conta as propostas apresentadas para a arquitetura de sistemas em edifícios inteligentes, considerou-se conveniente uma

abordagem hierárquica e a introdução de um novo nível de controle: o “controle dos grupos”, que serve como interface de comunicação entre os grupos de elevadores e o SGE, facilitando assim o recebimento da informação proveniente de outros sistema

prediais e portanto a integração do sistema de elevadores com estes. Na figura 2.5 é apresentada a configuração do sistema.

Figura 2.5 Configuração da integração do sistema de elevadores com o sistema de gerenciamento do edifício

Este nível, é o encarregado de enviar as informações pertinentes a cada um dos grupos que compõem o sistema, recebidas de sua interface com o usuário ou do SGE como por

Controlador de cabina 1

Controlador de cabina i

...

Controle dos grupos Sistema de

Gerenciamento do Edifício (SGE)

...

(43)

exemplo: ligar ou desligar elevadores, ordenar a execução de uma determinada

estratégia ou ainda o serviço independente de algum elevador em um grupo. É assim, o gerador de comandos e informações para cada um dos controles de grupo do sistema.

Apresenta-se a seguir alguns exemplos dos sistemas prediais com os quais o sistema de

elevadores pode inter-atuar:

• Interação com o sistema de detecção e combate a incêndio: permitindo a operação

em modo emergência onde a primeira fase compreende o traslado dos elevadores até o térreo e seu desligamento. A segunda fase corresponde à utilização de elevadores por parte dos bombeiros.

• Interação com o sistema de manutenção e detecção de falhas: ao viabilizar a

monitoração e avaliação dos equipamentos e a efetivação da manutenção preventiva.

• Interação com o sistema de controle e gerenciamento de energia: mediante a

eliminação de partidas simultâneas dos atuadores, redução dos tempos de viagem, redução do número de paradas desnecessárias, desligamento de luzes e do ventilador

quando depois de um determinado tempo não se registram chamadas. Desativação de alguns elevadores em caso de se ter um tráfego baixo. No caso de falta de

energia, o sistema deve acionar os geradores e entrar em modo de operação de emergência, trasladando todos os elevadores até o andar térreo.

• Interação com o sistema de comunicações do edifício: viabilizando a monitoração e

o comando remoto para modificar o funcionamento dos elevadores.

• Interação com o sistema de controle de acesso: de forma a permitir o controle de

(44)

aos elevadores pode requerer uma identificação que especifica quais pisos podem

ser acessados pelo interessado).

2.2.4. CARATERIZAÇÃO DO SISTEMA DE ELEVADORES

Considerando a complexidade do sistema de elevadores, é necessário utilizar técnicas que sejam capazes de modelar as características básicas encontradas nestes. Assim o

sistema de elevadores pode ser caracterizado como um Sistema a Eventos Discretos (SED), por possuir uma dinâmica dirigida pela ocorrência de eventos discretos a

intervalos em geral irregulares e desconhecidos, que determinam a evolução de seus estados, o que incorpora a esse tipo de sistema um caráter não determinístico. Observa-se que, além disso, tais sistemas possuem certas características como sincronismo,

conflito, paralelismo e concorrência de atividades, presentes nos SEDs e que inviabilizam o uso de algumas técnicas tradicionais de descrição de sistemas contínuos

[Hasegawa, 1987].

Assim, a caracterização do sistema de elevadores como um SED, permite realizar a modelagem deste sistema através da identificação de suas características e sua dinâmica

baseada na evolução de seus estados discretos dirigida por eventos, através do uso de uma ferramenta adequada.

Neste contexto, a ferramenta de modelagem para estes sistemas deve, então, considerar os seguintes aspectos:

•Possibilitar a identificação de características de paralelismo e concorrência de

(45)

•Ser capaz de descrever o comportamento dinâmico do sistema através da

evolução de seus estados.

•Representar o sistema através de uma abordagem hierárquica e de refinamentos

sucessivos, para que seu desenvolvimento possa ser feito em diversos níveis de abstração.

•Possuir ou permitir o desenvolvimento de técnicas de análise por simulação.

•Facilitar sua compreensão.

2.3. O

BSERVAÇÕES

F

INAIS DO

C

APÍTULO

No capítulo apresentou-se algumas das definições de edifício inteligente, e foram consideradas suas características e objetivos. Neste âmbito ressaltou-se a importância da integração entre os sistemas que o compõem, como um meio para atingir suas metas de

produtividade, segurança e baixo custo.

O capítulo tratou também sobre os sistemas de elevadores, abordando o importante papel destes nos edifícios. Além disso foram apresentados seu funcionamento e os tipos

de controle para estes sistemas. Considerou-se também a integração destes sistemas com outros sistemas prediais como um meio de prover maior segurança e conforto aos

(46)

Capítulo 3

APLICAÇÃO DE REDE DE PETRI

Este capítulo trata os conceitos principais de rede de Petri necessários para a modelagem de sistema de elevadores. É apresentada a metodologia PFS/MFG

(Production Flow Schema/Mark Flow Graph) que é uma interpretação de redes de Petri efetiva para a modelagem, análise e especificação de sistemas a eventos discretos.

Nos projetos mais recentes de construção de edifícios nota-se a instalação de sistemas

automatizados, cuja função é a realização autônoma das diversas funções e serviços existentes nos ambientes destes edifícios. A maior parte destes sistemas possuem como

característica um comportamento dinâmico definido através das mudanças de estados devido à ocorrência de eventos discretos. Por exemplo, entre os eventos considerados estão: abertura e fechamento de portas, acionamento e desligamento de lâmpadas,

chamada de elevadores, etc. A classe de sistemas definida por esse comportamento é denominada Sistemas a Eventos Discretos – SED [Ramadge & Wonham, 1989; Miyagi,

1996] (mais informações sobre este tema são apresentadas no apêndice I) e para a qual têm sido desenvolvidas várias técnicas para sua modelagem, análise, controle e projeto. Por exemplo: Redes de Petri, Cadeias de Markov, Teoria de filas, Álgebra mini-max,

Máquinas de estados, etc. foram desenvolvidas com base em propriedades como: reinicialização, sincronização, concorrência, etc. que os SED apresentam. Entre estas

(47)

Capítulo 3 – APLICAÇÃO DE REDE DE PETRI 31

Assim, no contexto dos sistema prediais em edifícios inteligentes e considerando

particularmente o sistema de elevadores caraterizado como um SED, cuja concepção e operação requerem técnicas efetivas para modelagem, simulação e análise e tendo em conta a eficácia que as redes de Petri têm apresentado para a abordagem de diversos

sistemas e sua efetividade como uma técnica uniforme para modelagem, o presente trabalho procura explorar o potencial desta abordagem nestes sistemas.

3.1. R

EDE DE

P

ETRI

(RP)

O conceito de Redes de Petri foi introduzido por Carl Adam Petri em sua tese de doutorado (1962), como ferramenta para descrever relações entre condições e eventos

no estudo de protocolos de comunicação entre componentes assíncronos. Embora ocorresse uma ampla divulgação academica ao longo de três décadas, o seu potencial só foi reconhecido na metade da década de oitenta, onde esta teoria foi usada para

implementações práticas nas área de informática e manufatura devido à disponibilidade de novos recursos de “hardware”e “software”.

A rede de Petri é uma ferramenta matemática e gráfica que oferece um ambiente

uniforme para modelagem, análise e projeto de sistemas a eventos discretos [Zurawki & Zhou, 1994]. Sua aplicação tem se estendido a uma grande quantidade e variedade de sistemas. Os principais sistemas onde é aplicada esta técnica são: sistemas de

comunicações, sistemas de software, sistemas de processamento de informação, além das aplicações em modelagem, simulação e seqüenciação de sistemas flexíveis de

(48)

Alguns trabalhos sobre modelagem de sistemas prediais através do uso de RP já foram

realizados. Nestas pesquisas, têm sido proposta a aplicação de RP coloridas para modelagem de sistemas em tempo real, como no caso de sistemas de elevadores [Etessami & Hura, 1991]. No entanto, estes modelos consideram um único elevador

sem considerar a necessidade de coordenação com outros elevadores, imprescindível em um sistema de controle de grupo. Além disso, aspectos de integração do sistema de

elevadores com outros sistemas do edifício têm sido pouco explorados.

3.1.1. CARACTERÍSTICAS E VANTAGENS DAS REDES DE PETRI

Em [Hasegawa, 1996] destacam-se as seguintes características e vantagens desta técnica:

• Representa a dinâmica e a estrutura do sistema segundo o nível de

detalhamento desejado.

• Identifica estados e ações de modo claro e explícito, facilitando com isto a

monitoração do sistema em tempo real.

• Tem a capacidade para representar de forma natural as características dos SED

(sincronização, assincronismo, concorrência, causalidade, conflito,

compartilhamento de recursos, etc.).

• Associa elementos de diferentes significados numa mesma representação, ou

segundo o propósito do modelo (avaliação de desempenho, implementação do controle, etc).

• Oferece um formalismo gráfico que permite a documentação e monitoração do

sistema, facilitando assim o diálogo entre o projetista e as pessoas que

(49)

• Se constitui como uma teoria muito bem fundamentada para a verificação de

propriedades qualitativas.

• Possui uma semântica formal e precisa que permite que o mesmo modelo

possa ser utilizado tanto para a análise de propriedades comportamentais (análise quantitativa e/ou qualitativa) e avaliação do desempenho, assim como

para a construção de simuladores a eventos discretos e controladores (para implementar ou gerar códigos para controle de sistemas). Além de servir para

verificar comportamentos indesejáveis como bloqueio, limitação, etc.

• Incorpora conceitos de modelagem do tipo refinamento (“top down”) e do tipo

composição modular (“bottom up”) através de técnicas como: modularização, reutilização, refinamento, etc.

Como uma ferramenta matemática, um modelo em rede de Petri pode ser descrito por

um sistema de equações lineares, ou outros modelos matemáticos que refletem o comportamento do sistema [Zurawski & Zhou, 1994], o qual possibilita a análise formal do mesmo. Esta característica permite realizar a verificação formal das propriedades

comportamentais do sistema.

As abordagens relacionadas com redes de Petri encontradas na literatura podem ser organizadas em três classes fundamentais:

• Redes de Petri básicas ou ordinárias: se constitui em um modelo elementar

adequado para visualizar comportamentos que envolvem paralelismo, sincronização e compartilhamento de recursos. Este é o modelo básico de rede que permite

(50)

• Reduções de redes de Petri ordinárias: são descrições simplificadas que procuram

sintetizar a apresentação gráfica dos modelos, mas que ainda podem ser representadas adequadamente por redes de Petri ordinárias. Entre estas estão: redes

de Petri generalizadas, redes de Petri de capacidade finita, redes de Petri coloridas. • Extensões das redes de Petri ordinárias: correspondem a modelos em que se incorporam

regras adicionais de funcionalidade para enriquecer o poder de modelagem. São consideradas três subclasses [David & Alla, 1994]: modelos equivalentes a máquinas de

Touring, modelos para sistemas contínuos e híbridos, modelos de sistemas que evoluem em função da ocorrência de eventos externos ou do tempo.

Uma outra forma de classificar as redes de Petri é em função de sua aplicação prática. Assim

tem-se as redes de Petri interpretadas. Neste tipo de redes são associadas variáveis com significado pratico às transições, representando condições e ações existentes no sistema. Tais variáveis podem indicar o estado de atuadores, sensores, etc., permitindo assim, modelar a

interação com o ambiente externo [Cardoso & Valette, 1997].

No apêndice II apresenta-se os fundamentos básicos de rede de Petri, que permitem uma maior compreensão desta técnica e suas extensões.

Assim, a rede de Petri se constitui como uma poderosa ferramenta para o modelagem e

análise de SEDs. Entretanto, na modelagem de sistemas complexos e com diferentes níveis de abstração se evidencia um ponto fraco em uma de suas principais

características: sua visualização gráfica. Desta maneira, verifica-se que é adequado que a modelagem inicial seja realizada utilizando interpretações não formais e a partir deste modelo seja conduzido um detalhamento gradativo e com interpretações formais. E, é